光纖通訊導(dǎo)論期末報(bào)告.doc

1、 光纖光纖通訊導(dǎo)論期末報(bào)告通訊導(dǎo)論期末報(bào)告光纖光纖的傳輸損耗的傳輸損耗陳立言i.目錄目錄壹壹.前言前言.1貳貳.吸收損失吸收損失(absorption).2一.本質(zhì)所引起的吸收 .2二.雜質(zhì)所引起的吸收 .3參參.散射損失散射損失(scattering loss).5肆肆.幾何效應(yīng)幾何效應(yīng)(geometric effect) .6伍伍.結(jié)論結(jié)論.8陸陸.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).9ii.圖表目錄圖表目錄圖表 i 過(guò)渡金屬離子與水分子吸收光譜圖.3圖表 ii 核蕊中參雜其他雜質(zhì)所造成的損失光譜.4圖表 iii 玻璃光纖之典型損失因素圖.4圖表 iv 大彎曲所造成的損失示意圖.71壹壹.前言前言由於光纖具

2、有傳統(tǒng)電線電纜所沒(méi)有的的優(yōu)點(diǎn)，如：低損耗、高頻寬、重量輕、不受電磁干擾等特性，因此非常適合作為通訊的傳輸媒介。但是，早期光纖通訊並不像現(xiàn)在這樣的成熟。事實(shí)上，光通訊系統(tǒng)之所以能夠?qū)嵱没?，半?dǎo)體製造技術(shù)、雷射的發(fā)明以及光纖傳輸損失的降低都佔(zhàn)有極重要的地位。在 1930 年左右，已有科學(xué)家利用玻璃纖維作為導(dǎo)光介質(zhì)，但當(dāng)時(shí)光纖的傳輸損失高達(dá) 1000分貝/公里以上，因此當(dāng)時(shí)人們?nèi)螢椴ＡЮw維並不適宜用來(lái)作為傳送光的波導(dǎo)介質(zhì)。隨著科技的進(jìn)步，1960 年紅寶石雷射以及後續(xù)許多半導(dǎo)體雷射的發(fā)明，再度燃起人們利用光來(lái)通訊的希望。但是好的光源由於雷射的發(fā)明已經(jīng)不是問(wèn)題，如何導(dǎo)引光波卻成為另一需要解決的課題。西

3、元 1966 年高錕博士提出了一篇有關(guān)於光纖中雜質(zhì)吸收的關(guān)鍵性論文之後，波導(dǎo)介質(zhì)的問(wèn)題已不再是問(wèn)題，光通訊系統(tǒng)至此得以真正的實(shí)現(xiàn)。而光纖的發(fā)展也隨著光傳輸損耗因素的研究及光纖製造技術(shù)的日漸成熟而一日千里。目前光纖的損失已由早期每公里上千分貝(db)降低至目前的每公里 0.2 分貝。光纖損失的單位為分貝/公里(db/km)，其定義如下10(0)(/)log( )pdb kmzp z此處，z 為光進(jìn)入光纖點(diǎn)與量測(cè)點(diǎn)的距離， p(0)為光在進(jìn)入光纖點(diǎn)所具有的能量， p(z)為光在量測(cè)點(diǎn)的能量。事實(shí)上，光纖通訊系統(tǒng)的應(yīng)用和光纖傳輸損失的降低有著密不2可分的關(guān)係。當(dāng)光纖傳輸損失降低時(shí)，相對(duì)的表示在同樣距

4、離下，中繼器(repeater)數(shù)目的降低。也因此在成本及傳輸品質(zhì)上能得到較好的結(jié)果。然而，光纖傳輸損失值的大小，與光纖的合成成份、製造方法及光纖的設(shè)計(jì)有關(guān)，這些因素都會(huì)影響到光纖的傳輸損失值。因此我們應(yīng)該深入了解這些因素，以免在設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)椴划?dāng)?shù)氖褂迷斐蓚鬏敁p失的增加而使得傳輸品質(zhì)降低。光纖傳輸損失因素如表一所示，主要是由以下三種主要機(jī)制(mechanism)所造成：(a) 吸收損失，(b) 散射損失，(c) 幾何效應(yīng)損失(彎曲損失)。以下貳、參、肆節(jié)即針對(duì)此三項(xiàng)損失做一探討，在第伍節(jié)則針對(duì)探討結(jié)果作一結(jié)論。貳貳.吸收損失吸收損失(absorption)吸收損失主要由三種不同的作用所導(dǎo)致：一

5、一. 本質(zhì)所引起的吸收本質(zhì)所引起的吸收縱使製造出再純淨(jìng)的玻璃光纖，其對(duì)於某種波長(zhǎng)範(fàn)圍的光波仍然存有吸收光線的效應(yīng)，這將使得光功率會(huì)隨傳送距離而衰減。這種吸收特性常稱為本質(zhì)吸收(intrinsic absorption)，它是玻璃本身特質(zhì)所引起。以電磁頻譜分佈而言，短波長(zhǎng)的紫外線(ultraviolet: uv)區(qū)域吸收的能力特別強(qiáng)烈。這種吸收乃是由於強(qiáng)烈的電子以及分子之轉(zhuǎn)換帶(transition band)的緣故。它的特徵是：在紫外光區(qū)域的吸收達(dá)到3極大點(diǎn)，而在可見(jiàn)光區(qū)域則逐漸減低。所以，光纖系統(tǒng)應(yīng)儘量避免使用到紫外光區(qū)的頻譜。對(duì)於紅外光區(qū)的頻譜範(fàn)圍的光波，玻璃光纖也會(huì)產(chǎn)生類似的吸收效應(yīng)。它

6、也是屬於一種玻璃本身的本質(zhì)吸收。這類吸收的最大頻譜大約是介於 7m12m 之間。這對(duì)於一般光纖系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，也不常使用到它。紅外線的衰減乃與化學(xué)鍵(如氧-矽鍵)的振動(dòng)有關(guān)。熱能造成原子的固定移動(dòng)，促使氧化矽鍵不斷的收縮。此項(xiàng)振動(dòng)在紅外光頻譜區(qū)有一個(gè)共振頻存在。圖表 i 過(guò)渡金屬離子與水分子吸收光譜圖二二. 雜質(zhì)所引起的吸收雜質(zhì)所引起的吸收在此所指的雜質(zhì)包括不純物及添加物。不純物的吸收主要是由於光纖的玻璃材質(zhì)中含有過(guò)渡金屬離子(如：fe、cu、cr)及水分子，不純物所造成的吸收和其所含濃度高低有關(guān)。濃度愈高吸收的損失值就相對(duì)的愈大。為了能夠得到每公里 20 分貝以下的衰減特性，許多不純淨(jìng)的金屬雜

7、質(zhì)離子必須保持在 10-9比例以下。以目前技術(shù)而言，只要在好的玻離光纖之中，已經(jīng)很容易便達(dá)到以上所要求的純淨(jìng)度。因此這項(xiàng)衰減並未帶來(lái)太大的影響。雜質(zhì)吸收所造成的衰減的主要因素來(lái)自於氫氧離子，也就是 oh-。它是因?yàn)闅溲蹼x子伸展振動(dòng)而造成。而其最重要的吸收頻譜在下4列幾個(gè)波長(zhǎng)：0.95m、1.23m、1.37m。為了降低氫氧離子吸收的影響，必須在玻離光纖製造過(guò)程中，將水分子含量降至 10-7以下，這樣氫氧離子吸收所造成的衰減才不會(huì)帶來(lái)太大的影響。除了過(guò)渡金屬離子和氫氧離子的吸收外，有時(shí)為了改變光纖的折射率以改善光纖的傳輸特性，因此常在光纖中參雜其它的雜質(zhì)(如：geo2、p2o5、b2o3)，當(dāng)這

8、些雜質(zhì)加入核蕊的量增加時(shí)，核蕊的折射率會(huì)增加，數(shù)值孔徑也隨之增加。圖表 ii 核蕊中參雜其他雜質(zhì)所造成的損失光譜 但是這種雜質(zhì)會(huì)造成紅外線光域的吸收損失。其損失與波長(zhǎng)的關(guān)係如圖二所示。圖三則顯示玻璃光纖在吸收損失中各因素所佔(zhàn)的數(shù)值。由圖中可以看到總損失在 1.55um 時(shí)為最小，當(dāng)波長(zhǎng)增加時(shí)，紅外光吸收因素將成為損失的最主要來(lái)源。相反的，當(dāng)波長(zhǎng)減少時(shí)，則由紫外光吸收和散射因素主導(dǎo)總損失量的大小。圖表 iii 玻璃光纖之典型損失因素圖5一.原子缺陷(atomic defects) 原子缺陷主要是由於光纖中原子結(jié)構(gòu)的不完整所導(dǎo)致。參參.散射損失散射損失(scattering loss)在玻璃光纖製

9、造過(guò)程中，當(dāng)玻璃處?kù)度廴跔顟B(tài)時(shí)，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的(random)。當(dāng)它冷卻後，這個(gè)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象便停止。但是由於冷卻時(shí)分子之間的距離並不均等，因此造成分子密度分佈在各處都有些微的變化。除此之外，由於玻璃中擁有許多的氧化物(如：sio2、geo2、p2o5)也造成一些分子鍵結(jié)構(gòu)的變化，於是造成各處的折射率值都有些微的不同。此種差異造成了散射光線的效應(yīng)。此項(xiàng)散射稱之為 rayleigh 散射效應(yīng)。它只發(fā)生在光波波長(zhǎng)大折射率變化的情況下。rayleigh 散射一直被相信是在玻璃中要降低衰減的基本限制。如果只考慮熱變動(dòng)因素，其損耗係數(shù)，scat，可以以下列式子表示：382483scatbftn p k t

10、此處：光波長(zhǎng)，n：折射率，6p：光彈係數(shù)(photoelastic coefficient)，t：材料的等溫壓縮率，kb：boltzmanns 常數(shù)，tf：為玻璃的轉(zhuǎn)換溫度。由(2)式可知，此種散射與光波長(zhǎng)的四次方成反比。換句話說(shuō)，光波愈長(zhǎng)散射所造成的損失愈小。肆肆.幾何效應(yīng)幾何效應(yīng)(geometric effect)當(dāng)我們?cè)谑褂霉饫w導(dǎo)管時(shí)若將其彎曲時(shí)，它必使得傳輸損失增加。這類型的損失主要是因?yàn)閹缀涡螤罡淖兯斐?，因此歸類成幾何效應(yīng)損失。但是一般而言，此類損失都是因?yàn)閺澢斐桑虼艘卜Q之為彎曲損失(bending loss)。基本上，彎曲所造成的損失可以分為兩大類，分別由不同的效應(yīng)造成傳送

11、的損失。第一種是大彎曲損失(macrobending loss)，第二種則是微彎曲損失(microbending loss)。以下就此兩者的區(qū)分及造成的原因來(lái)加以說(shuō)明：1、 大彎曲損失所謂大彎曲損失指的是其曲率半徑在數(shù)公分以上，一般造成大彎曲損失的因素主要是因?yàn)楣饫w佈放施工不當(dāng)及光纖接續(xù)後將餘長(zhǎng)環(huán)繞於接續(xù)盒中所造成。由於光纖的彎曲造成中心軸不在同一直線上，當(dāng)傳播模態(tài)光在核蕊(core)與覆層(cladding)的界面處產(chǎn)生全反射時(shí)，會(huì)造成部份光束的入射角小於臨界角，而無(wú)法滿足全反射的條件，使得部份傳播模態(tài)光折射入覆層中，造成光功率的損失。圖三為大彎曲損失的示意圖。一般而言，大彎曲所造成的損失值

12、與曲率半徑的關(guān)係可以下式表示：7=aexp(-br) 其中 a、b 均為常數(shù)，r 為彎曲半徑。由式(3)可得知，當(dāng)半徑愈小時(shí)，則彎曲損失值愈大。相關(guān)研究結(jié)果顯示，當(dāng)曲率半徑大於臨界值 rc 時(shí)，則所造成的損失值幾乎可以忽略不計(jì)。而 rc 可以由以下式子概略得到：2122 3/21234 ()cnrnn圖表 iv 大彎曲所造成的損失示意圖另外也可以由以下簡(jiǎn)單的算法得：只要彎曲的半徑大於織覆直徑的 100 倍時(shí)，彎曲損失幾乎可以忽略不計(jì)。2、 微彎曲損失所謂微彎曲損失指的是其曲率半徑在次毫米以下，一般造成微彎曲損失的因素主要是由光纖覆層外的保護(hù)層所造成。保護(hù)層的主要目的是加強(qiáng)光纖的強(qiáng)度，但是這層保

13、護(hù)層也會(huì)造成光纖與保護(hù)層間不均勻壓力的存在，特別是當(dāng)光纖與保護(hù)層溫度係數(shù)不同時(shí)。基本上，微彎曲所造成的損失，較難以避免。選擇使用溫度係數(shù)與光纖材質(zhì)相近的被覆材質(zhì)及使用適當(dāng)?shù)某淠z(jelly)及光纜結(jié)構(gòu)的適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以儘量減少因溫度變化或外力對(duì)光纖造成微彎曲，進(jìn)而可以降低微彎曲損失。8伍伍.結(jié)論結(jié)論由以上探討結(jié)果我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(a) 吸收及散射損失的降低必須在光纖製造過(guò)程就加以注意，否則就無(wú)法降低。換句話說(shuō)，當(dāng)要使用光纖時(shí)，事先就必須評(píng)估光纖品質(zhì)。(b) 除了光纖品質(zhì)之外，施工時(shí)也必須注意彎曲度不能太大，否則彎曲損失將造成傳輸品質(zhì)的大幅降低。9陸陸.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.吳耀東 著，光纖通訊系統(tǒng)-原理與應(yīng)用，全欣資訊圖書(shū)，19942.林愷 著，光纖通訊系統(tǒng)，全華圖書(shū)，19803.孫清華 譯，光纖通訊，全華圖書(shū)，19984.譚繼山 譯，雷射與光纖通訊，亞太圖書(shū)出版社，19865.吳耀東 著，光纖原理與應(yīng)用，全華圖書(shū)，19976.jo